應急移動式輸油管道的失效形式以及修復補強方法的研究

麻士琦　張雨　崔虎　劉申武

摘 要：應急移動式輸油管線與長輸原油管道不同，其靈活機動性強，且應用環境比較復雜，常用于搶險救災、野戰輸油。分析了移動式輸油管線的失效形式，并結合輸油管線的工作環境特點，對幾種常用的管道修復補強方法進行了對比，其中重點研究了碳纖維復合材料在管道修復方面的應用。

關鍵詞：移動式；輸油管道；失效；補強

1 概述

移動式輸油管線具有靈活機動性強、輸油量大等特點，常用于搶險救災、野外作戰等特殊環境下的油料運輸。目前，我國有多種移動式輸油管線系統，其中主要是硬質管線輸油系統。硬質管線的材料為薄壁碳素鋼或低合金鋼，通過薄板卷壓成型，直縫焊接且內外壁進行防腐處理。硬質管線重量大，在鋪設時需耗費大量人力，且耐腐蝕性差，易出現焊接缺陷，在這種情況下，復合材料管線以其輕質高強、高耐腐蝕性，可設計性強等特點備受青睞。[1]無論是硬質輸油管線還是復合材料管線，隨著使用時間和強度的增強，管線上不可避免的會出現各種缺陷，對輸油作業產生安全隱患，一旦發生泄漏甚至斷裂，將造成嚴重后果。分析了移動式輸油管線常見的幾種失效形式，對不合格管線修復補強的方法進行了研究。

2 移動式輸油管線的工作環境

移動式輸油管線用于特殊環境下的應急輸油，例如在野外作戰過程中，當供油中心或油庫發生故障時，為保證油料安全及時的輸送，常需要鋪設應急供油管線。輸油管道每根長約6米，由車輛運送至鋪設地點，人力搬卸并將插管推入承管，隨地勢逐根鋪設。管線的鋪設地點大多是在野外，環境與地勢都較復雜，大多數情況直接暴露于大氣中，有時根據需要還要埋地，穿越河流。

3 移動式輸油管線失效形式

3.1 管線腐蝕

對于硬質金屬管線來說，腐蝕是一個有待攻克的難題。移動式管線尤其是金屬管線的腐蝕主要來源于大氣腐蝕、土壤腐蝕以及自然水腐蝕，其中以大氣腐蝕為主，尤其在酸雨或者沿海地區腐蝕更為嚴重[2]。另外，由于鋪設過程中人為搬運，輸油管外壁上的防腐層由于磕碰極易被破壞，出現腐蝕凹坑等缺陷，使管壁局部變薄。在油料輸送過程中，管壁將受到壓力作用，當腐蝕凹坑達到一定深度超過某一臨界值時，就會導致管線破裂失效[3]。腐蝕凹坑的深度和長度是衡量管線腐蝕程度的主要參數。隨著腐蝕深度和長度的增加，輸油管線的承載能力也會越差。管線腐蝕是硬質金屬管線常見的失效形式。

3.2 管線斷裂

管線的斷裂失效往往是由管壁上的裂紋缺陷引起的。當裂紋的尺寸逐漸變大從而發生失穩擴展，導致管道破裂。據統計，對于金屬管線，大多數的裂紋由焊接部位存在焊接缺陷引起的。因此，焊接部件在某種程度上決定了管線運行的安全性。焊接質量對管線安全性的影響主要體現在：一方面由于焊接過程中加熱、冷卻不均勻，易在焊縫及周圍發生不同程度的變形和應力集中現象。另一方面，在焊接過程中，焊接區經歷了特殊的熱過程，材料組織和力學性能極不均勻，很容易出現各種缺陷，降低了管線的承載能力和防腐蝕破裂能力。

4 管道的修復補強

在多種因素的影響下，如制造缺陷、環境腐蝕以及人為破壞等，輸油管道在運輸油料過程中面臨著泄漏、破裂等危險情況的發生。為了保證油料運輸的安全性，實踐表明，需對管道進行檢測-評估-維修補強等作業。補強就是修補管道缺陷，補足強度。維修補強技術是延長管道壽命和提高管道安全性的重要保障措施。

4.1 管道修復補強的常用方法

常見的修復補強方法有三種：焊接補強、夾具補強和纖維復合材料補強。其中前兩者主要用于金屬輸油管，而纖維復合材料補強的方法既可以用于金屬輸油管也可以用于復合材料輸油管，近幾年被廣泛應用。焊接補強就是用焊接的方法，將補強金屬焊在管壁缺陷處。對于深度較淺的單點缺陷常采用堆焊，小面積多點腐蝕采用打補丁，大面積缺陷則采用打套筒，這種方法的優點是技術成熟，成本較低。缺點是易受焊接環境影響發生氫脆和冷脆現象；焊接時管道內需要排空，影響正常輸送。夾具補強是利用夾具加緊的方式恢復管道強度。這種方法的優點是不需要停輸，且不會像焊接法那樣出現氫脆等現象。缺點是成本高，施工過程較復雜，且不適用于大面積缺陷。纖維復合材料補強方法是在上世紀90年代以后逐漸發展起來的。最初纖維復合材料主要是用于建筑物補強和修復，90年代以前主要用于氣體輸送管線的修復。隨著新型復合材料的不斷研發，復合材料不但具有輕質高強、加工性好、耐腐蝕性強等特點，還具有耐熱和導電性好的特性。復合材料在油料輸送方面開始大展身手。這種方法是利用專用樹脂將復合材料纖維纏繞在管壁缺陷處，達到恢復承載能力的目的。優點是不需要停輸，無需焊接，且性價比高。

4.2 纖維復合材料補強

纖維復合材料補強所用的復合材料分兩種：玻璃纖維和碳纖維。兩者的區別在于玻璃纖維強度低于碳纖維復合材料，一般適用于壓強要求不高的情況。在施工方面，玻璃纖維一般使用干法纏繞，碳纖維復合材料則采用濕法纏繞，后者的施工工藝較簡單。另外碳纖維復合材料適用于環向和軸向組合鋪設，如此形成的補強結構既可以承受軸向力也可以承受一定環向應力。碳纖維復合材料這種交錯組合鋪設的方法使得整個鋪設層形成一個整體，更適用于大面積缺陷補強。

4.3 碳纖維復合材料補強的工作原理

當輸油管工作時，會受到徑向和環向壓力，管線缺陷處管壁較正常變薄，承受載荷的能力降低，當缺陷越來越嚴重時就會發生管壁破裂現象。碳纖維復合材料修復補強技術分為3部分，專用修補劑、樹脂基碳纖維復合材料以及外保護層。在補強時，首先在缺陷處填補專用的修補劑，然后將碳纖維和環氧樹脂交叉鋪設在管壁上，使兩者粘結在一起，形成修復層。固化后的修復層具有較高的抗拉強度和彈性模量。將缺陷處填平并補強，限制了缺陷的膨脹變形，降低了缺陷處受到的拉伸變形，實現了對破損管道的修復補強。

5 結束語

提出了管道修復的重要性；分析了移動式輸油管線常見的失效形式，管道腐蝕和管道斷裂；對幾種常見的管道修復補強方法進行了對比，并重點介紹了碳纖維復合材料修補技術的優勢及工作原理。對于移動式輸油管線，無論是金屬材質管道還是復合材料管道，碳纖維補強技術相對于其他修補方法具有更好的適應性和安全性。為今后類似問題的解決提供參考。

參考文獻

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